HTTP 2.0与OkHttp
HTTP 2.0是对1.x的扩展而非替代，之所以是“2.0”，是因为它改变了客户端与服务器之间交换数据的方式。HTTP 2.0增加了新的二进制分帧数据层，而这一层并不兼容之前的HTTP 1.x服务器及客户端——是谓2.0。
在正式介绍HTTP 2.0之前，我们需要先了解几个概念。
- 流，已建立的连接上的双向字节流。
- 消息，与逻辑消息（
Request、Response）对应的完整的一系列数据帧。 - 帧，
HTTP 2.0通信的最小单位，如Header帧（存储的是Header）、DATA帧（存储的是发送的内容或者内容的一部分）。
1、HTTP 2.0简介
总所周知，HTTP 1.x拥有队首阻塞、不支持多路复用、Header无法压缩等诸多缺点。尽管针对这些缺点也提出了很多解决方案，如长连接、连接与合并请求、HTTP管道等，但都治标不治本，直到HTTP 2.0的出现，它新增的以下设计从根本上解决了HTTP 1.x所面临的诸多问题。
- 二进制分帧层，是
HTTP 2.0性能增强的核心，改变了客户端与服务器之间交互数据的方式，将传输的信息（Header、Body等）分割为更小的消息和帧，并采用二进制格式的编码。 - 并行请求与响应，客户端及服务器可以把
HTTP消息分解为互不依赖的帧，然后乱序发送，最后再在另一端把这些消息组合起来。 - 请求优先级（0表示最高优先级、 2 31 2^{31} 231-1表示最低优先级），每个流可以携带一个优先值，有了这个优先值，客户端及服务器就可以在处理不同的流时采取不同的策略，以最优的方式发送流、消息和帧。但优先级的处理需要慎重，否则有可能会引入队首阻塞问题。
- 单TCP连接，
HTTP 2.0可以让所有数据流共用一个连接，从而更有效的使用TCP连接 - 流量控制，控制每个流占用的资源，与
TCP的流量控制实现是一模一样的。 - 服务器推送，
HTTP 2.0可以对一个客户端请求发送多个响应，即除了最初请求响应外，服务器还可以额外的向客户端推送资源，而无需客户端明确地请求。 - 首部（Header）压缩，
HTTP 2.0会在客户端及服务器使用“首部表”来跟踪和存储之前发送的键-值对，对于相同的数据，不会再通过每次请求和响应发送。首部表在连接存续期间始终存在，由客户端及服务器共同渐进的更新。每个新的首部键-值对要么追加到当前表的末尾，要么替换表中的值。
虽然HTTP 2.0解决了1.x中的诸多问题，但它也存在以下问题。
- 虽然消除了
HTTP队首阻塞现象，但TCP层次上仍然存在队首阻塞现象。要想彻底解决这个问题，就需要彻底抛弃TCP，自己来定义协议。可以参考谷歌的QUIC。 - 如果
TCP窗口缩放被禁用，那宽带延迟积效应可能会限制连接的吞吐量。 - 丢包时，
TCP拥塞窗口会缩小。
2、二进制分帧简介
HTTP 2.0的根本改进还是新增的二进制分帧层。与HTTP 1.x使用换行符分割纯文本不同，二进制分帧层更加简介，通过代码处理起来更简单也更有效。
建立了HTTP 2.0连接后，客户端与服务器会通过交换帧来通信，帧也是基于这个新协议通信的最小单位。所有帧都共享一个8字节的首部，其中包括帧的长度、类型、标志，还有一个保留位和一个31位的流标识符。
- 16位的长度前缀意味着一帧大约可以携带64KB数据，不包括8字节首部
- 8位的类型字段决定如何解释帧其余部分的内容
- 8位的标志字段允许不同的帧类型定义特定于帧的消息标志
- 1位的保留字段始终置为0
- 31位的流标识符唯一标识
HTTP 2.0的流
HTTP 2.0规定了以下的帧类型。
- DATA，用于传输
HTTP消息体 - HEADERS，用于传输关于流的额外的首部字段（
Header） - PRIORITY，用于指定或者重新指定流的优先级
- RST_STREAM，用于通知流的非正常终止
- SETTINGS，用于通知两端通信方式的配置数据
- PUSH_PROMISE，用于发出创建流和服务器引用资源的要约
- PING，用于计算往返时间，执行“活性”检查
- GOAWAY，用于通知客户端/服务器停止在当前连接中创建流
- WINDOW_UPDATE，用于针对个别流或者个别连接实现流量控制
- CONTINUATION，用于继续一系列首部块片段
2.1、HEADER帧
在发送应用数据之前，必须创建一个新流并随之发送相应的元数据，比如流的优先级、HTTP首部等。HTTP 2.0协议规定客户端和服务器都可以发起新流，因此有以下两种可能。
- 客户端通过发送
HEADERS帧来发起新流，这个帧里包含带有新流ID的公用首部、可选的31位优先值，以及一组HTTP键值对首部 - 服务器通过发送
PUSH_PROMISE帧来发起推送流，这个帧与HEADER帧等效，但它包含“要约流ID”，没有优先值
2.2、DATA帧
应用数据可以分为多个DATA帧，最后一帧要翻转帧首部的END_STREAM字段。
数据净荷不会被另行编码或压缩。DATA帧的编码方式取决于应用或者服务器，纯文本、gzip压缩、图片或者视频压缩格式都可以。整个帧由公用的8字节首部及HTTP净荷组成。
从技术上说，DATA帧的长度字段决定了每帧的数据净荷最多可达 2 31 2^{31} 231-1（65535）字节。可是，为了减少队首阻塞，HTTP 2.0标准要求DATA帧不能超过 2 14 − 1 2^{14}-1 214−1（16383）字节。长度超过这个阀值的数据，就得分帧发送。
3、HTTP 2.0在OKHttp中的应用
HTTP 2.0是通过RealConnection的startHttp2方法开启的，在该方法中会创建一个Http2Connection对象，然后调用Http2Connection的start方法。
private void startHttp2(int pingIntervalMillis) throws IOException {
socket.setSoTimeout(0); // HTTP/2 connection timeouts are set per-stream.
//创建Http2Connection对象
http2Connection = new Http2Connection.Builder(true)
.socket(socket, route.address().url().host(), source, sink)
.listener(this)
.pingIntervalMillis(pingIntervalMillis)
.build();
//开启HTTP 2.0
http2Connection.start();
}
在start方法中会首先给服务器发送一个字符串PRI * HTTP/2.0\r\n\r\nSM\r\n\r\n来进行协议的最终确定，并用于建立 HTTP/2 连接的初始设置。然后给服务器发送一个SETTINGS类型的Header帧，该帧主要是将客户端每一帧的最大容量、Header表的大小、是否开启推送等信息告诉给服务器。如果Window的大小发生改变，就还需要更新Window的大小（HTTP 2.0的默认窗口大小为64KB，而客户端则需要将该大小改为16M，从而避免频繁的更新）。最后开启一个子线程来读取从服务器返回的数据。
public void start() throws IOException {
start(true);
}
void start(boolean sendConnectionPreface) throws IOException {
if (sendConnectionPreface) {
//发送一个字符串PRI * HTTP/2.0\r\n\r\nSM\r\n\r\n来进行协议的最终确定，即序言帧
writer.connectionPreface();
//告诉服务器本地的配置信息
writer.settings(okHttpSettings);
//okHttpSetting中Window的大小是设置为16M
int windowSize = okHttpSettings.getInitialWindowSize();
//默认是64kb,但如果在客户端则需要重新设置为16M
if (windowSize != Settings.DEFAULT_INITIAL_WINDOW_SIZE) {
//更新窗口大小
writer.windowUpdate(0, windowSize - Settings.DEFAULT_INITIAL_WINDOW_SIZE);
}
}
//子线程监听服务器返回的消息
new Thread(readerRunnable).start(); // Not a daemon thread.
}
从ReaderRunnable的名称就可以看出它是用来读取从服务器返回的各种类型数据。
class ReaderRunnable extends NamedRunnable implements Http2Reader.Handler {
...
@Override protected void execute() {
ErrorCode connectionErrorCode = ErrorCode.INTERNAL_ERROR;
ErrorCode streamErrorCode = ErrorCode.INTERNAL_ERROR;
try {
//读取服务器返回的序言帧
reader.readConnectionPreface(this);
//不断的读取下一帧，所有消息从这里开始分发
while (reader.nextFrame(false, this)) {
}
connectionErrorCode = ErrorCode.NO_ERROR;
streamErrorCode = ErrorCode.CANCEL;
} catch (IOException e) {
...
} finally {
...
}
}
//读取返回的DATA类型数据
@Override public void data(boolean inFinished, int streamId, BufferedSource source, int length)
throws IOException {...}
//读取返回的HEADERS类型数据
@Override public void headers(boolean inFinished, int streamId, int associatedStreamId,
List<Header> headerBlock) {...}
//读取返回的RST_TREAM类型数据
@Override public void rstStream(int streamId, ErrorCode errorCode) {...}
//读取返回的SETTINGS类型数据
@Override public void settings(boolean clearPrevious, Settings newSettings) {...}
//回复服务器返回的ackSettings
private void applyAndAckSettings(final Settings peerSettings) ...}
//恢复客户端发送的SETTING数据，客户端默认不实现
@Override public void ackSettings() {...}
//读取返回的PING类型数据
@Override public void ping(boolean reply, int payload1, int payload2) {...}
//读取服务器返回的GOAWAY类型数据
@Override public void goAway(int lastGoodStreamId, ErrorCode errorCode, ByteString debugData) {...}
//读取服务器返回的WINDOW_UPDATE类型数据
@Override public void windowUpdate(int streamId, long windowSizeIncrement) {...}
//读取服务器返回的PRIORITY类型数据
@Override public void priority(int streamId, int streamDependency, int weight,
boolean exclusive) {...}
//读取返回的PUSH_PROMISE类型数据
@Override
public void pushPromise(int streamId, int promisedStreamId, List<Header> requestHeaders) {... }
//备用Service
@Override public void alternateService(int streamId, String origin, ByteString protocol,
String host, int port, long maxAge) {...}
}
上面简述了在OkHttp中如何开启HTTP 2.0协议。下面就来介绍客户端与服务器通过HTTP 2.0协议来进行数据读写操作。
3.1、向服务器写入Headers
向服务器写入Header是通过httpCodec.writeRequestHeaders(request)来实现的，httpCodec在HTTP 2.0协议下的实现类是Http2Codec。writeRequestHeaders方法主要是创建一个新流Http2Stream，在这个流创建成功后就会向服务器发送Headers类型数据。
boolean hasRequestBody = request.body() != null;
List<Header> requestHeaders = http2HeadersList(request);
//创建新流
stream = connection.newStream(requestHeaders, hasRequestBody);
//我们可能在创建新流并发送Headers时被要求取消，但仍然没有要关闭的流。
if (canceled) {
stream.closeLater(ErrorCode.CANCEL);
throw new IOException("Canceled");
}
...
}
//以下方法在Http2Connection类中
public Http2Stream newStream(List<Header> requestHeaders, boolean out) throws IOException {
return newStream(0, requestHeaders, out);
}
private Http2Stream newStream(
int associatedStreamId, List<Header> requestHeaders, boolean out) throws IOException {
...
synchronized (writer) {
synchronized (this) {
//每个TCP连接的流数量不能超过Integer.MAX_VALUE
if (nextStreamId > Integer.MAX_VALUE / 2) {
shutdown(REFUSED_STREAM);
}
if (shutdown) {
throw new ConnectionShutdownException();
}
//每个流的ID
streamId = nextStreamId;
//下一个流的ID是在当前流ID基础上加2
nextStreamId += 2;
//创建新流
stream = new Http2Stream(streamId, this, outFinished, inFinished, null);
flushHeaders = !out || bytesLeftInWriteWindow == 0L || stream.bytesLeftInWriteWindow == 0L;
if (stream.isOpen()) {
streams.put(streamId, stream);
}
}
if (associatedStreamId == 0) {
//向服务器写入Headers
writer.headers(outFinished, streamId, requestHeaders);
} else if (client) {
throw new IllegalArgumentException("client streams shouldn't have associated stream IDs");
} else {//用于服务器
writer.pushPromise(associatedStreamId, streamId, requestHeaders);
}
}
//刷新
if (flushHeaders) {
writer.flush();
}
return stream;
}
在客户端，流的ID是从3开始的所有奇数，在服务器，流的ID则是所有偶数。在Http2Connection的构造函数中定义了定义了流ID的初始值。
Http2Connection(Builder builder) {
....
//如果是客户端，流的ID则从1开始
nextStreamId = builder.client ? 1 : 2;
if (builder.client) {
//在HTTP2中，1保留，用于升级
nextStreamId += 2;
}
...
}
3.2、读取服务器返回的Headers
readResponseHeaders是从服务器读取Headers数据，该方法在Http2Codec中。
@Override public Response.Builder readResponseHeaders(boolean expectContinue) throws IOException {
//从流中拿到Headers信息，
Headers headers = stream.takeHeaders();
Response.Builder responseBuilder = readHttp2HeadersList(headers, protocol);
if (expectContinue && Internal.instance.code(responseBuilder) == HTTP_CONTINUE) {
return null;
}
return responseBuilder;
}
//该方法在Http2Stream中
public synchronized Headers takeHeaders() throws IOException {
readTimeout.enter();
try {
//如果队列中没有数据就等待
while (headersQueue.isEmpty() && errorCode == null) {
waitForIo();
}
} finally {
readTimeout.exitAndThrowIfTimedOut();
}
//从队列中拿到Headers数据
if (!headersQueue.isEmpty()) {
return headersQueue.removeFirst();
}
throw new StreamResetException(errorCode);
}
headersQueue是一个双端队列，它主要是存储服务器返回的Headers。当服务器返回Headers时，就会更新该链表。
3.3、读/写Body
在创建流的时候，都会创建一个FramingSink及FramingSource对象。FramingSink用来向服务器写入数据，FramingSource则读取服务器返回的数据。因此关于读/写Body其实就是对Okio的运用，不熟悉Okio的可以先去了解一下Okio的知识。
//向服务器写数据
final class FramingSink implements Sink {
private static final long EMIT_BUFFER_SIZE = 16384;
...
@Override public void write(Buffer source, long byteCount) throws IOException {
assert (!Thread.holdsLock(Http2Stream.this));
sendBuffer.write(source, byteCount);
while (sendBuffer.size() >= EMIT_BUFFER_SIZE) {
emitFrame(false);
}
}
//
private void emitFrame(boolean outFinished) throws IOException {
...
try {
//向服务器写入DATA类型数据
connection.writeData(id, outFinished && toWrite == sendBuffer.size(), sendBuffer, toWrite);
} finally {
writeTimeout.exitAndThrowIfTimedOut();
}
}
...
}
//从服务器读取数据
private final class FramingSource implements Source {
//将从网络读取的数据写入该Buffer，仅供读线程访问
private final Buffer receiveBuffer = new Buffer();
//可读buffer
private final Buffer readBuffer = new Buffer();
//缓冲的最大字节数
private final long maxByteCount;
...
//从receiveBuffer中读取数据
@Override public long read(Buffer sink, long byteCount) throws IOException {...}
...
//接收服务器传递的数据,仅在ReaderRunnable中调用
void receive(BufferedSource in, long byteCount) throws IOException {...}
...
}
3.4、Http2Reader与Http2Writer
前面介绍了从服务器读写数据，但无论如何都离不开Http2Reader与Http2Writer这两个类，毕竟这两个类才是真正向服务器执行读写操作的。先来看向服务器写数据。
final class Http2Writer implements Closeable {
...
//写入序言帧，来进行协议的最终确定
public synchronized void connectionPreface() throws IOException {...}
//发送PUSH_PROMISE类型数据
public synchronized void pushPromise(int streamId, int promisedStreamId,
List<Header> requestHeaders) throws IOException {...}
...
//发送RST_TREAM类型数据
public synchronized void rstStream(int streamId, ErrorCode errorCode)
throws IOException {...}
//发送DATA类型数据
public synchronized void data(boolean outFinished, int streamId, Buffer source, int byteCount)
throws IOException {...}
//发送SETTINGS类型数据
public synchronized void settings(Settings settings) throws IOException {...}
//发送PING类型数据
public synchronized void ping(boolean ack, int payload1, int payload2) throws IOException {...}
//发送GOAWAY类型数据
public synchronized void goAway(int lastGoodStreamId, ErrorCode errorCode, byte[] debugData)
throws IOException {...}
//发送WINDOW_UPDATE类型数据，进行Window更新
public synchronized void windowUpdate(int streamId, long windowSizeIncrement) throws IOException {...}
//发送HEADERS类型数据
public void frameHeader(int streamId, int length, byte type, byte flags) throws IOException {...}
@Override public synchronized void close() throws IOException {
closed = true;
sink.close();
}
...
//写入CONTINUATION类型数据
private void writeContinuationFrames(int streamId, long byteCount) throws IOException {...}
//写入headers
void headers(boolean outFinished, int streamId, List<Header> headerBlock) throws IOException {...}
}
下面再来看看从服务器读数据，基本上就是根据数据的类型来进行分发。
final class Http2Reader implements Closeable {
...
//读取数据
public boolean nextFrame(boolean requireSettings, Handler handler) throws IOException {
try {
source.require(9); // Frame header size
} catch (IOException e) {
return false; // This might be a normal socket close.
}
// 0 1 2 3
// 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
// +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
// | Length (24) |
// +---------------+---------------+---------------+
// | Type (8) | Flags (8) |
// +-+-+-----------+---------------+-------------------------------+
// |R| Stream Identifier (31) |
// +=+=============================================================+
// | Frame Payload (0...) ...
// +---------------------------------------------------------------+
int length = readMedium(source);
if (length < 0 || length > INITIAL_MAX_FRAME_SIZE) {
throw ioException("FRAME_SIZE_ERROR: %s", length);
}
byte type = (byte) (source.readByte() & 0xff);
if (requireSettings && type != TYPE_SETTINGS) {
throw ioException("Expected a SETTINGS frame but was %s", type);
}
byte flags = (byte) (source.readByte() & 0xff);
int streamId = (source.readInt() & 0x7fffffff); // Ignore reserved bit.
if (logger.isLoggable(FINE)) logger.fine(frameLog(true, streamId, length, type, flags));
//这里的handler是ReaderRunnable对象
switch (type) {
case TYPE_DATA:
readData(handler, length, flags, streamId);
break;
case TYPE_HEADERS:
readHeaders(handler, length, flags, streamId);
break;
case TYPE_PRIORITY:
readPriority(handler, length, flags, streamId);
break;
case TYPE_RST_STREAM:
readRstStream(handler, length, flags, streamId);
break;
case TYPE_SETTINGS:
readSettings(handler, length, flags, streamId);
break;
case TYPE_PUSH_PROMISE:
readPushPromise(handler, length, flags, streamId);
break;
case TYPE_PING:
readPing(handler, length, flags, streamId);
break;
case TYPE_GOAWAY:
readGoAway(handler, length, flags, streamId);
break;
case TYPE_WINDOW_UPDATE:
readWindowUpdate(handler, length, flags, streamId);
break;
default:
// Implementations MUST discard frames that have unknown or unsupported types.
source.skip(length);
}
return true;
}
...
}
在Http2Reader与Http2Writer中都是以帧的形式（二进制）来读取或者写入数据的，这样相对字符串效率会更高，当然，我们还可以用哈夫曼算法（OkHttp支持哈夫曼算法）来对帧进行压缩，从而获得更好的性能。
记得在HTTP 1.x协议下的网络优化就有用Protocol Buffer（二进制）来替代字符串传递这一个选择，而如果用HTTP 2.0则无需使用Protocol Buffer。
4、总结
到这里，相必对HTTP 2.0有了一个大概的了解，更多的就需要去实践了。当然如果要使用HTTP 2.0协议，就需要客户端及服务器一起才能搞定。注意：目前OKHttp仅支持在https请求下使用HTTP 2.0。
【参考资料】
《Web性能权威指南》
科普：QUIC协议原理分析
初识HTTP2.0协议
HTTP 2.0 协议详解
HTTP协议探究（六）：H2帧详解和HTTP优化
HTTP/2笔记之连接建立